一種同時具備大位移及低滯后的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種同時具備大壓電位移及低位移滯后的壓電陶瓷及其制備方法，屬 于功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵電壓電材料能實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，因此在換能器、傳感器及驅(qū)動器 等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用， [1]其中，壓電驅(qū)動器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生微位移 的動作執(zhí)行器件。壓電驅(qū)動器具有位移控制精度高、響應(yīng)速度快、推力大等優(yōu)點，在民用及 國防等諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。 [2]
[0003] 隨著技術(shù)的進(jìn)步，壓電微位移驅(qū)動器的應(yīng)用范圍逐步擴大，如在納米工程、高精度 加工及定位系統(tǒng)中，壓電微位移驅(qū)動器也有著非常重要的應(yīng)用。這些系統(tǒng)對壓電微位移驅(qū) 動器有著非常高的要求，如大壓電位移、低電壓-位移滯后及高線性度等。壓電材料在電 場作用下會產(chǎn)生位移，但是其位移在電場上升和下降過程中存在不一致的現(xiàn)象，這就是電 壓-位移滯后。 [34]位移滯后的存在會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的定位精度。因此，在此類高精度系統(tǒng) 中，一般要求位移滯后小于5 %。
[0004] 壓電材料的位移滯后是影響壓電驅(qū)動器精度最重要的因素，因此，各國研究者都 在開展大量的研究工作以降低其滯后。目前常用的方法是建立壓電驅(qū)動器滯后的數(shù)學(xué)模 型，如Presiach模型等， [5]這些方法需要增加前饋控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性及難度。 因此有效的方法仍然是直接降低壓電材料本身的位移滯后。目前常用的PZT壓電陶瓷，當(dāng) 采用軟性摻雜是，其壓電常數(shù)較高（d 33>350pC/N)，但是位移滯后也較大（>15%);而當(dāng)采 用硬性摻雜時，其位移滯后會明顯降低（<1〇%)，但是其壓電常數(shù)也大幅度降低（<220pC/ N)。[6 7]如國外常見的低滯后壓電材料PZT-8,其壓電常數(shù)d 33為220PC/N，其位移滯后為 5-10%〇
[0005] 同時，對于硬性摻雜的壓電陶瓷，由于材料中氧空位缺陷濃度較高，在室溫極化時 由于氧空位釘扎疇壁，導(dǎo)致電疇無法轉(zhuǎn)向，因此此類材料一般需在高溫下極化。但是在高溫 下，此類陶瓷的漏導(dǎo)將急劇增加，導(dǎo)致在高溫高電壓下陶瓷非常容易擊穿。因此，對于此類 材料的有效極化也非常困難。
[0006] 綜上所述，目前商用的壓電陶瓷材料中，尚未發(fā)現(xiàn)同時具有大位移及低滯后的壓 電材料，同時對于目前常用的低滯后壓電陶瓷，其制備工藝也存在諸多的問題。因此，尋找 同時具備大位移及低滯后的壓電陶瓷材料，并改善其極化等制備工藝仍然是各國研究人員 努力的方向。
[0007] 參考文獻(xiàn)：
[1] B.Jaffe, ff. R. Cook, and H.Jaffe, Piezoelectric Ceramics, Academic Press, New York, 1971 ；
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[3] 張濤，孫立寧，蔡鶴皋，壓電陶瓷基本特性研究，光學(xué)精密工程，1998,6 [5] :26-32;
[4] Jonq-Jer Tzen, Shyr-Long Jeng,Wei-Hua Chieng, Modeling of piezoelectric actuator for compensation and controller design,Precision Engineering, 2003, 27:70 - 86；
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[7] Shujun Zhang, Jong Bong Lim,Hyeong Jae Lee, and Thomas R. Shrout, Characterization of Hard Piezoelectric Lead-Free Ceramics, IEEE Trans. UFFC, 2009, 56[8]:1523-1527。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有壓電陶瓷無法同時具備大位移及低滯后的特性，并且難以極化等 問題，本發(fā)明提供一種鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料配方，該材料具有大的壓電位移、低的電 壓-位移滯后及良好線性特性；同時本發(fā)明通過高溫淬火及室溫極化工藝，解決了現(xiàn)有硬 性壓電陶瓷極化困難的問題。
[0009] 在此，一方面，本發(fā)明提供一種同時具備大位移及低滯后的鋯鈦酸鉛基壓 電陶瓷材料，所述陶瓷材料的組成通式為：Pb 1 x (SryCa1 y) x (ZrzTi1 z) 03+aCa (FewGa1 w) 05/2+bMn02(簡寫為 PSZT-CFG0)，其中：x、y、z 及 w 均為摩爾比，0· 05 彡 x 彡 0· 20， 0彡y彡1，0· 50彡z彡0· 55,0彡w彡I ;a為摩爾比，以PSZT陶瓷粉體總摩爾數(shù)為1計， 0. 005彡a彡0. 01 ;b為重量比，以PSZT陶瓷粉體總重量為1計，0彡b彡0. 01。
[0010] 所述陶瓷材料的壓電常數(shù)d33為292~342PC/N，位移滯后為2% -5%。因此該類 陶瓷同時具備大位移及低滯后的特性，同時陶瓷電場-應(yīng)變曲線，可滿足高精度壓電驅(qū)動 器應(yīng)用需求，極具應(yīng)用前景。
[0011] 另一方面，本發(fā)明還提供一種同時具備大位移及低滯后的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材 料的制備方法，所述制備方法包括：步驟1)將原料Pb 304、SrC03、CaC03、Zr02、Ti0 2、Fe203、 Ga2O3 及 MnO2 按照 Pb1 x (SryCa1 y)x (ZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02 的化學(xué)計量比稱量，將 原料粉體放入球磨罐中，加入去離子水，混合4-6小時，倒出烘干；步驟2)將混合均勻的粉 體過篩，壓塊，在800-950°C下合成2~4小時，將合成后的粉體打碎，放入球磨罐中，加入去 離子水，球磨6~8小時，倒出烘干；步驟3)將步驟2)得到的粉體加入粘結(jié)劑，造粒，壓制 成型，將壓制成型的素坯在500~650°C溫度下保溫2~6小時；步驟4)將素坯在1260~ 1300°C燒結(jié)2~4小時，雙面磨平，表面被覆電極；步驟5)將被覆電極后的陶瓷極化，獲得 同時具備大位移及低滯后的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料。
[0012] 本發(fā)明中，利用固相法合成粉體，然后在高溫爐中燒結(jié)致密，陶瓷被覆電極后經(jīng)高 溫淬火，然后在室溫施加高壓極化。本發(fā)明提供的陶瓷材料具有大的壓電位移、低的位移滯 后及高線性度，非常適合制作高精度壓電微位移驅(qū)動器，用在精密控制及高精度定位等領(lǐng) 域。并且，本發(fā)明的材料制備工藝簡單，可在室溫極化而不會擊穿，非常適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0013] 在所述步驟3)中，加入的粘結(jié)劑為PVA或PVB。
[0014] 又，在所述步驟3)中，壓制成型的壓力為150~250MP。
[0015] 本發(fā)明中，在所述步驟4)中表面被覆的電極為銀電極或鉑電極。
[0016] 本發(fā)明中，在所述步驟5)的極化過程包括：將被覆電極后的陶瓷加熱至500°C后， 在水中淬火，然后在室溫下施加2~4kV/mm的電壓極化。
【附圖說明】
[0017] 圖1為實施例1制得的陶瓷材料的XRD譜圖； 圖2為實施例1制得的陶瓷的極化前電滯回線； 圖3為實施例1制得的陶瓷高溫淬火后的電滯回線； 圖4為實施例1制得的陶瓷在lkV/cm單向電場下的應(yīng)變曲線。
【具體實施方式】
[0018] 以下結(jié)合附圖及下述實施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實施方式僅用于 說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019] 本發(fā)明提供的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料同時具有較大的壓電位移、低的壓電-位 移滯后及高的線性度。
[0020] 本發(fā)明中的同時具備大位移及低滯后的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料的組成通式為： Pb1 ,(SryCa1 y)x (ZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02(簡寫為 PSZT-CFG0)，其中：x、y、Z 及 W 均為摩爾比，且滿足〇· 05彡x彡0· 20,0彡y彡1，0· 50彡z彡0· 55,0彡w彡I ;a為摩爾 比，以PSZT陶瓷粉體總摩爾數(shù)為1計，且滿足0. 005彡a彡0. 01 ;b為重量比，以PSZT陶瓷 粉體總重量為1計，且滿足0 < b < 0. 01。
[0021] 本發(fā)明獲得的低滯后大位移壓電陶瓷可以制作高精度壓電驅(qū)動器，在精密控制及 加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0022] 本發(fā)明的制備方法包括： 步驟 1)按照 Pb1 JSryCa1 y) JZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02通式精確稱量化學(xué)計 量比的Pb304、SrC03、CaC03、Zr0 2、Ti02、Fe203、Ga2O 3及MnO 2。將所有原料粉體放入球磨罐中， 加入去離子水，混合4~6小時后倒出烘干； 步驟2)將混合均勻的粉體過篩壓塊后，放置在高溫爐中，在800~950°C下合成2~4 小時，以獲得所需要的物相； 步驟3)將合成后的粉體打碎后，放入球磨罐中，加入去離子水，球磨6~8小時后倒出 烘干； 步驟4)將球磨后的粉體加入PVA為粘結(jié)劑，造粒，在150~250MPa壓力下壓制成型， 將壓制成型的素坯在500~650°C溫度下保溫2~6小時以排出素坯中的有機成分； 步驟5)將素坯放入高溫?zé)Y(jié)爐中，在1260~1300°C燒結(jié)2~4小時，經(jīng)雙面磨平至要 求尺寸后，表面